新技术对自动化和数字化系统架构的影响

数字传播洞察

• 数字通信在过去几十年里出现了爆炸式增长，随着硬件和软件的不断进步，这一趋势将继续下去。
• 机器学习(ML)、深度学习、密码学和其他高级算法可以实现到如此多的设备中。

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数字技术在过去20年里不断发展，几十年前无法想象的事情，现在正在被采用并被作为通用标准。电信、计算硬件、集成电路小型化、云计算、机器学习、高级分析、密码学和其他相关技术正在发展，以可承受的成本提供更多功能。

数字通信发展迅速。今天，5G无线通信在移动或静态设备上为我们提供了超高的速度和巨大的带宽。多频光纤电缆已经安装在全球各地，提供超高速数据高速公路，提供跨国家的近实时视频通信，包括流式播放高清电影的能力。这种电信系统的扩张将继续下去。

硬件小型化和新的芯片制造技术为我们带来了更便宜、更快、更小、更节能的计算设备，我们几乎可以在任何地方部署这些设备——在设备中，在现场，或聚集在高性能的云计算安排中。随着电信的爆炸式发展，计算能力变得灵活而无所不在，而且几乎是无限的。

机器学习(ML)、深度学习、密码学和其他高级算法今天可以在计算系统和小型智能设备中实现，提供了巨大的见解和价值。由于电信网络和计算硬件的发展，所有这些都成为可能。

数字技术的挑战

虽然数字技术突飞猛进，但重大的新挑战也随之出现。人们之间的联系更加紧密，需要实时传递更多信息。行业需要分析，市场非常多变，必须在瞬间做出商业决策。技术发展和即将到来的挑战之间有着非常密切的关系。

自动化领域一直在利用这些技术爆发。我们看到更复杂的设备、智能无线仪器、功能强大的可编程逻辑控制器(plc)、边缘计算设备、监控和数据采集(SCADA)以及分布式控制系统(DCS)和历史记录，它们运行在大型服务器或云计算环境中，为工作站、平板电脑和其他便携式设备上的用户提供服务。

不管电信和计算技术如何进步，自动化体系结构并没有太大的变化。虽然许多组件都有了改进，但它们的底层体系结构在很大程度上保持不变。

例如，石油和天然气行业传统上在技术采用方面一直很保守，这也是因为它面临着不同于其他行业的特定挑战。然而，随着技术的发展，业务变得更加复杂，市场更加动荡，竞争更加激烈，必须解决环境和可持续发展计划和问题。在当前的运营环境下，该行业正在充分认识到技术的价值。碳氢化合物的生产难度越来越大，运营利润率不断萎缩，环境法规的限制性越来越强，安全政策对人员暴露在野外条件下的要求越来越低。所有这些发展不仅推动了该业务广泛实施更多的自动化和数字化解决方案，而且还采用了新的先进的系统架构，以最好地解决该行业实际和即将到来的运营和业务挑战。

六种架构范例

传统的自动化架构无法跟上行业面临的新挑战。应该采用新的自动化系统架构，以更好地适应新的行业运营和业务挑战。

下面列出了在其他计算体系结构中取得成功，但在自动化世界中被忽视的几个系统体系结构范例。

1.奉承架构:即使当新的自动化系统目前使用更新的技术时，它们的架构也太垂直了。现场设备通过电信基础设施连接到SCADA/DCS，然后绑定到历史记录，然后以一种图腾的方式连接到应用程序和商业智能系统，通过具有不同的用户界面、层间的许多接口和使用多个数据库(图1)而引起问题。新的体系结构必须更扁平，具有更少的数据库层和更少的层间接口。整个系统应该基于一个统一的数字平台，该平台在更少的级别上包括大多数功能(图2)。这个数字平台还必须足够灵活，以尽可能多地利用现有仪器、自动化设备和系统。

2.高可用性和容错:一些自动化系统仍然采用经典的暖-备用配置。从本质上讲，用户购买两个系统只是为了使用其中一个，以应付正在运行的系统出现故障时的情况。自动化体系结构可以通过合并新的容错方案来改进，该方案可以在某个硬件组件发生故障时自动调整，并且具有最少或没有故障转移时间。

3.弹性:在公司中，业务和操作场景可能突然发生变化，自动化架构必须快速适应这些变化。传统的架构是刚性的，不容易改变。新的体系结构必须随着业务的扩展或收缩而快速扩展。它必须具有弹性，可以在几分钟内快速扩展或收缩，而不失去操作性。

4.牢固的:从地下牢固的:网络安全不能是安装在经典自动化系统架构之上的一层。自动化架构必须从其概念中纳入网络安全机制，从早期设计阶段就采用网络安全策略，如零信任架构(ZTA)方法。如今，对控制关键资产(在任何行业)的自动化系统的潜在网络攻击都是一种必须由新架构妥善解决的明显危险。

5.单点配置:在当前的实践中，如图1所示，必须在每一层上添加一个新的现场设备或进行配置更改，以保持系统完整性。新的体系结构必须采用“一次配置”设计。通过安装新设备或更改其配置，更改必须在整个系统中自动传播。

6.在架构中尽可能降低智能:“哑巴”远程终端单元(rtu)或功能有限的plc已成为过去。数据搜集、分析、智能处理、机器学习(ML)和人工智能(AI)必须尽可能贴近流程。边缘设备可以在新架构上承担很大一部分处理工作。

虽然这些都是新的自动化和数字化系统架构必须采用的关键范例，但还有更多的范例可以帮助系统设计人员和建造人员最好地解决油气行业中实际和即将到来的挑战。

自动化系统设计范式已经改变。新技术已经广泛应用，但新业务和新挑战也已经出现。

这种趋势必须引导人们思考构建自动化系统和解决方案的新方法。最终的挑战是基于这些新范式设计、开发、实现和部署自动化系统。这将有助于解决行业运营挑战，获得更快更好的投资回报(ROI)。

马里奥老爹他是Sensia (Rockwell Automation和SLB的合资企业)的数字架构师。由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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